浅谈铝合金材料在中国铁路货车的应用

在中国铁路跨越式发展进程中，铁道车辆轻量化是实现高速重载的重要途径，轻量化车辆的主攻方向就是铝合金材料在车体结构上的应用，它是我国业内长期关注的一个攻关课题。随着2003年3月铁道部关于大秦线运输扩能货车技术工作会议的召开，开发大秦线专用的铝合金运煤敞车拉开了铝合金材料在我国铁道车辆应用的序幕。经过一年的努力，该车成功开发并已投入线路运行考验，铁道部为其定型为：C80型铝合金运煤敞车。研发和试制该车的过程中，铝合金材料的机械性能、力学性能、及其制造工艺等问题有了初步了解，但鉴于我国铝合金货车运用处于起步阶段，其设计制造工艺水平提升、其在线路运行中可能出现的运行问题和维修保养问题的处理还有待于借鉴国外先进技术和经验。案例经济性比较        目前，大秦线上运行的与C80车具有相同轴重、结构近似的全钢敞车是：C76。两车除高度外其余外形尺寸基本相同，主要承载的底架结构同为钢结构，钢材料主要采用牌号为Q450NQR1、屈服强度达到450Mpa的耐大气腐蚀钢，所不同的是C80的端侧墙结构采用了铝合金材料，表1列出了两车的基本性能参数。车辆结构如图1、2。        表1   C80 和C76基本性能参数比较 

          由于铝合金材料的使用，C80车自重减少了5吨，通过增加运煤高度，可以实现每辆车载重增加5吨的目标，按目前大秦线每列78辆编组量计算，每列C80车可多运煤390吨，而大秦线列车周转周期为3天，那么每列C80车年运煤量比C76多47450吨。从运能上分析，铝合金敞车具有较大的优越性，是大秦线运能实现年2亿吨目标的重要保证。图1  C80型铝合金运煤敞车 图2  C76型全钢运煤敞车 铝合金材料的应用性能及其特点        纯铝是非常软的，不能作为构架使用。然而，在纯铝中加入不同数量的其他元素，铝合金可达到良好的硬度和强度，再通过热处理和冷加工能达到更好的性能要求。        目前我国铁道车辆用的铝合金材料的牌号主要有：5083－H321和6061-T6。其中板材多为5083－H321，属于第5系列的铝合金。该系列合金中镁是主要合金元素，故也被称为“Al-Mg系”。在工业常用的5系列的铝合金中，镁的含量一般不超过5.5％，它的加入能显著提高铝的强度但又不会使其塑性过分降低，可满足工业工程使用的要求，另外该合金较好的抗蚀性和可焊性也加大了能在工业中广泛使用的优势。H321表明了该材料加工硬化后再经过稳定化处理的状态，是加工硬化后经低温退火，使合金强度略有降低，伸长率稍有升高，从而使力学性能稳定的状态。各种工业结构件用的铝合金型材多为6061-T6，属于第6系列的铝合金，即“Al-Mg-Si系”。镁和硅作为合金元素添加到铝中提高了铝合金的可热处理强化性，当达到T6固溶处理后人工时效的状态后，铝合金材料的力学性能处于稳定，从而便于工程使用。钢与两种铝合金材料的性能参数对比如表2所示：表2      钢材与铝合金材料的性能参数对照表 

  铝合金材料的性能有以下几大特点：（1） 铝合金材料密度约为钢材的1/3，即在强度满足要求的情况下，同一结构的钢质件自重是铝质件的2倍。实际例子中C76的钢质端侧墙自重约为4900kg，而C80的铝质端侧墙自重约为2700kg，自重减小了一半，另外车体的浴盆结构、底架侧梁以及车体地板均由钢质改为铝质，整车自重减小5t的目标就成为可能。这也正是车辆轻量化设计的主要福音。（2） 上述两种铝合金材料具有与Q235钢相近的屈服强度，当作为非焊接结构用时，这两种材料可作为铁道货车的结构材料。一般来说，车辆的主要承载结构采用高强度钢质结构，而车体墙板、地板及浴盆可用铝合金板材，并且各种截面形式的铝合金挤压型材，中空的或非中空的，可用作货车上部的骨架，如帽型侧柱和横带、P型截面的上侧梁和下侧梁以及中空的角柱、L型角铝等（如图3）。 图3  铝合金挤压型材的截面形式 （3） 铝合金材料的弹性模量约为钢材的1/3，所以用在结构上重量减轻时刚度大致与之成比例下降，这也是铝合金材料不能用作结构主要承载件的原因。在C80设计中为弥补刚度损失，C80的枕梁和横梁结构设计得比C76强大。静强度试验数据显示，C80中梁挠跨比为：0.98/1500，侧梁挠跨比为：0.61/2000。而C76两值分别为：（4） 铝合金材料的耐腐蚀性好。由于铝材表面可自然产生一层很薄的氧化铝保护膜，这层膜的表面硬度较高，不易破损，在大气中有很好的防腐能力。据美国统计，铝合金车体的腐蚀速度为耐候钢的1/25，其使用寿命较长，可以不涂漆使用，这样不仅使车辆的制造和修理费用减少，还可以减少涂装工作量。我国铝合金材料在铁路货车的运用尚处于初期，对铝合金材料耐磨性能的了解还没有大量的数据和经验验证，但据资料，伦敦地铁钢质车辆运行40万km或使用5年定期检查，而铝合金车辆运行48万km或使用6年才定期检查1次，车辆需求量可减少的同时修理成本可大大降低。在涂装方面，C80车体端侧墙除转动车钩端须涂有色漆加以区别外其余铝合金材料均未涂漆，涂装工作量减少3/4。（5） 由于温度对铝合金材料性能的影响较大，焊缝热影响区内材料的性能有所降低，如强度，其变化值可从表3中看出。 表3  铝合金材料强度变化值列表 

      为保证铝合金材料在铁路货车结构中具有足够的强度，在C80车设计中充分考虑了焊接接头及热影响区对铝合金强度的较大消减，零部件的连接采用了铆接结构，从而引进了先进的拉铆技术，即铁路货车专用拉铆钉及套环的使用。该技术以液压为动力，通过专用拉铆枪把拉铆钉和套环的槽型扣压紧扣死，达到了紧固效果，实现了零部件之间的力传递，并且铆接具有接头强度均匀、不会产生热应力的优点。该技术的引用可改善工作环境，降低铆接的噪音污染并能使操作者劳动强度大大降低。据统计，一辆C80车所用拉铆钉数量约为2000个。拉铆钉的形状及其组装示意图如图4、5。 图4      C50LR型拉铆钉及其组装示意图  图5      BOM型拉铆钉及其组装示意图         （6） 铝合金材料与其他金属接触存在电化学腐蚀。由于铝合金材料的电位较低，与其他电位高于它的金属如：钢接触时，铝合金成为阳极，并在电解质中溶解为金属离子，使得材料快速腐蚀。为防止这种腐蚀，在C80车的设计生产中，凡是铝合金材料与钢接触的部位均贴上了3M公司生产的PVC（聚氯乙烯）胶带，这种普通热塑树脂的有机膜在铝合金表面和电解质之间形成了一层物理性阻挡层，从而起到了防腐作用。应用中有待解决的问题        铝合金材料在中国铁路货车上的应用已经迈出了第一步。在铝合金车辆的初期设计、制造中，该材料在铁路货车上的应用性能及特点有了进一步的了解。但是，随着铝合金车辆运行考验的深入，铝合金车辆修理难度大的问题不得不被业内关注。目前，铁路货车铝合金焊接技术尚不完善，给传统的车辆挖补修理办法的实施带来了一定困难。并且在铁路货车专用拉铆钉未形成国内生产的形式下，完全依赖铆接结构意味着车辆制造和修理成本的居高不下。先进铝合金焊接技术的引进是解决问题的一个途径。焊接技术的应用可以节省车辆零部件铆钉孔的加工成本和工时，在合理设计焊缝长度和自动焊的实现基础上，零部件组装和整车组装工时能大幅提高。日本在车辆局部波纹铝板、外墙板接缝、小部件以及修补作业中就采用金属极惰性气体保护点焊，如钨极惰性气体保护焊，另外摩擦搅拌焊（FSW）、电阻焊也是国外九十年代初就开始应用的技术，具有一定的应用经验，所以适当引进这些技术和有关设备，并进行广泛的试验研究，使其转化成中国自己的经验和技术以备实际使用是当前的工作之一。另外，在铝合金车辆的保养、清洗方面，也应该借鉴国外经验。在车辆运用过程中，从制造厂商、用户，到列检等各个环节都应提高保养意识，制定严格的操作规程、完善对铝合金车辆的应用管理，最大程度地降低对铝合金车辆的破坏。        综上所述，铝合金铁路货车的研究开发，使铁路货车设计、制造技术推进到一个新水平，随着对铝合金材料了解的深入，铝合金的应用在实现铁路现代化的跨越式发展中将始终成为主流。